Organizacja procesów obróbki i montażu części maszyn i urządzeń

Transkrypt

1 REFORMA 2012 Organizacja procesów obróbki i montażu części maszyn i urządzeń Krzysztof Grzelak, Stanisław Kowalczyk Kwalifikacja M.44.1 Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK MECHANIK

2 Rozdziały: 1; 2; 9 napisał Krzysztof Grzelak Rozdziały: 3; 4; 5; 6; 7; 8 napisał Stanisław Kowalczyk Podręcznik dopuszczony do użytku szkolnego przez ministra właściwego do spraw oświaty i wychowania i wpisany do wykazu podręczników przeznaczonych do kształcenia w zawodach na podstawie opinii rzeczoznawców: mgr Teresy Kosyry-Cieślak, mgr. inż. Janusza Jaska, mgr inż. Małgorzaty Kiebały. Typ szkoły: technikum. Zawód: technik mechanik. Kwalifikacja: M.44. Organizacja i nadzorowanie procesów produkcji maszyn i urządzeń. Część kwalifikacji: 1. Organizowanie procesów obróbki i montażu części maszyn i urządzeń. Rok dopuszczenia: Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne sp. z o.o. Warszawa 2014 Wydanie I (rzut I) ISBN Opracowanie merytoryczne i redakcyjne: Małgorzata Skura (redaktor koordynator), Katarzyna Rogowska (redaktor merytoryczny) Redakcja językowa: Elżbieta Filipczuk Redakcja techniczna: Elżbieta Walczak Projekt okładki: Dominik Krajewski Skład i łamanie: Studio DeTePe, Paweł Rusiniak Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Warszawa, Aleje Jerozolimskie 96 Tel.: Infolinia: Druk i oprawa: DROGOWIEC-PL Sp. z o.o., Kielce Publikacja, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty. Szanujmy cudzą własność i prawo. Więcej na Polska Izba Książki

3 SPIS TREŚCI 3 Wprowadzenie Obliczenia wytrzymałościowe części maszyn 1.1. Wytrzymałość statyczna i zmęczeniowa elementów maszyn Rodzaje obciążeń Obliczenia wytrzymałościowe Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach stałych Naprężenia dopuszczalne przy obciążeniach zmiennych Dopuszczalne naciski powierzchniowe Obliczenia wytrzymałościowe połączeń spawanych Obliczenia wytrzymałościowe połączeń wciskowych Obliczenia wytrzymałościowe połączeń wpustowych Obliczenia wytrzymałościowe połączeń wielowypustowych Obliczenia wytrzymałościowe połączeń gwintowych Wytrzymałość gwintu Obliczenia wytrzymałościowe wałów maszynowych Obliczenia wytrzymałościowe kół zębatych Zapamiętaj Sprawdź swoją wiedzę Literatura Rysunki konstrukcyjne części maszyn i urządzeń 2.1. Dokumentacja konstrukcyjna Rysunki złożeniowe Rysunki wykonawcze Dokumentacja konstrukcyjna połączeń części maszyn Rysowanie połączeń spawanych Rysowanie połączeń gwintowych Rysowanie połączeń kształtowych Dokumentacja konstrukcyjna elementów układów napędowych Rysunki elementów klasy wał maszynowy Rysunki elementów klasy koło zębate, łańcuchowe Rysunki złożeniowe układów napędowych Zapamiętaj Sprawdź swoją wiedzę Literatura Dokumentacja techniczna i technologiczna procesu obróbki i montażu 3.1. Dokumentacja techniczna Dokumentacja technologiczna Zapamiętaj Sprawdź swoją wiedzę Literatura Dobór materiałów i półfabrykatów do wytwarzania części maszyn 4.1. Zasady doboru materiałów Dobór półfabrykatów Zapamiętaj Sprawdź swoją wiedzę Literatura

4 4 SPIS TREŚCI 5. Dobór urządzeń i narzędzi do wytwarzania części maszyn 5.1. Dobór urządzeń produkcyjnych Dobór narzędzi Zapamiętaj Sprawdź swoją wiedzę Literatura Techniki i metody wytwarzania części maszyn 6.1. Dobór technologii obróbki ubytkowej Dobór technologii obróbki skrawaniem Dobór technologii obróbki ściernej Dobór technologii obróbki ubytkowej Dobór technologii obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej Obróbka cieplna Obróbka cieplno-chemiczna stali Obróbka metodami nowej generacji Dobór obróbek cieplnych i cieplno-chemicznych Dobór technologii odlewania i obróbki plastycznej Dobór technologii odlewania Dobór obróbki plastycznej kształtującej Dobór obróbki plastycznej powierzchniowej Dobór technologii odlewania i obróbki plastycznej Zapamiętaj Sprawdź swoją wiedzę Literatura Metody zabezpieczenia części maszyn przed korozją 7.1. Istota i rodzaje korozji Metody i sposoby ochrony maszyn przed korozją Zapamiętaj Sprawdź swoją wiedzę Literatura Planowanie procesu technologicznego obróbki i montażu części maszyn 8.1. Planowanie procesu technologicznego obróbki części maszyn Planowanie procesu technologicznego montażu części maszyn Zapamiętaj Sprawdź swoją wiedzę Literatura Systemy CAD 9.1. Programy do wspomagania projektowania i tworzenia dokumentacji konstrukcyjnej Zapamiętaj Sprawdź swoją wiedzę Literatura Wykaz podstawowych pojęć w językach polskim, angielskim i niemieckim Źródła ilustracji i fotografii

5 6 Techniki i metody wytwarzania części maszyn Dobór technologii obróbki ubytkowej Dobór technologii obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej Dobór technologii odlewania i obróbki plastycznej

6 TECHNIKI I METODY WYTWARZANIA CZĘŚCI MASZYN 6.1. Dobór technologii obróbki ubytkowej W TYM ROZDZIALE DOWIESZ SIĘ: na czym polega technologia obróbki skrawaniem, jakie stosuje się w niej metody i sposoby oraz jakie są zasady jej doboru na czym polega technologia obróbki ściernej, jakie stosuje się w niej metody i sposoby oraz jakie są zasady jej doboru W organizacji procesów produkcji części maszyn technolog może dobrać szereg różnych technik i metod wytwarzania, do których możemy zaliczyć: obróbkę ubytkową (skrawaniem i ścierną), obróbkę cieplną i cieplno-chemiczną, odlewanie i obróbkę plastyczną, obróbkę skoncentrowanymi wiązkami energii, technologię pokryć i powłok, kształtowanie przyrostowe, technologię tworzyw sztucznych i technologię montażu Dobór technologii obróbki skrawaniem Skrawanie jest techniką (metodą) wykonania przedmiotów, których kształt uzyskuje się przez zdejmowanie nadmiaru materiału. Dobierając formy, metody i sposoby obróbki, należy przeprowadzić analizę techniczno-ekonomiczną wykonania przedmiotu, uwzględniając następujące wymagania w stosunku do materiału przedmiotu i jego wytwarzania: materiału z jakiego będzie wykonany przedmiot (podatność na łamanie wiórów, skrawalność, twardość materiału, zawartość składników stopowych itp.), naddatku na obróbkę, kształtu przedmiotu, wymiarów przedmiotu, wyboru baz obróbkowych (do pierwszej i dalszych operacji), stanu geometrycznego powierzchni, stanu warstwy powierzchniowej, dokładności wykonania odkuwki, odlewu (szczególnie powierzchni, które będą stanowić bazy do pierwszej operacji) itp., wielkości produkcji, kosztu wykonania przedmiotu, racjonalnego kształtowania przedmiotu ze względu na montaż. Obecnie technologia skrawania jest głównie stosowana jako technika wykonania części na gotowo. Czynniki wpływające na dokładność obróbki to: dokładność obrabiarek (dokładność wykonania i montażu bicie wrzecion, głowic, prostopadłość i równoległość prowadnic, osi itp); dokładność narzędzi (dokładność wykonania i zużycie); sztywność układu technologicznego obrabiarka-uchwyt-przedmiot-narzędzie (o-u-p-n);

7 6.1. DOBÓR TECHNOLOGII OBRÓBKI UBYTKOWEJ 163 odkształcenia cieplne układu technologicznego (ciepło z otoczenia, obróbki, pracy mechanizmów 50 85% ciepła jest odprowadzane z wiórami, 10 40% przechodzi do narzędzia, 3 9% pozostaje w przedmiocie, ok. 1% przejmuje otoczenie); naprężenia własne (nierównomierna rozszerzalność liniowa i objętościowa); drgania sprężyste układu (o-u-p-n), ze swoimi własnościami tłumiącymi; dokładność pomiarów błędy pomiaru; dokładność nastawienia obrabiarki położenie narzędzia w stosunku do bazy obrabianego przedmiotu; kwalifikacje i umiejętności wykonującego. W produkcji części i zespołów można wykorzystać procesy obróbki geometrycznej i powierzchniowej. Obróbka geometryczna zapewnia nadanie obrabianym częściom i zespołom odpowiedniej dokładności kształtu, wymiarów i wzajemnego położenia. Obróbka powierzchniowa nadaje częściom odpowiednie własności geometryczne (kierunkowość, chropowatość, nośność), fizyczne (zgniot, tekstura, naprężenia) i mechaniczne (twardość). Technolog dysponuje następującymi rodzajami obróbki: zgrubną, kształtującą, dokładną, bardzo dokładną, mikroobróbką i nanoobróbką. Obróbka zgrubna charakteryzuje się średnią ekonomiczną dokładnością, odpowiadającą tolerancji warsztatowej, czyli 14 klasie dokładności. Chropowatość powierzchni mieści się w granicach Ra = m. Obróbka kształtująca jej średnia ekonomiczna dokładność odpowiada 9 11 klasie dokładności. Chropowatość powierzchni mieści się w granicach Ra = 5 2,5 m. Obróbka dokładna odpowiada średniej ekonomicznej klasie dokładności w zakresie 6 8 klasy. Chropowatość powierzchni mieści się w granicach Ra = 1,25 0,63 m. Obróbka bardzo dokładna jej średnia ekonomiczna dokładność odpowiada 1 4 klasie dokładności. Chropowatość powierzchni mieści się w granicach Ra = 0,32 0,01 m. Mikroobróbka i nanoobróbka wychodzą poza zakres dokładności przyjętych dla obróbek konwencjonalnych, uzyskiwana chropowatość powierzchni mieści się w granicach Ra = nm. Skrawać można czyste metale lub ich stopy. Praktyczne znaczenie ma obróbka wiórowa. Do obróbki wiórowej możemy zaliczyć: toczenie, wytaczanie, struganie, dłutowanie, wiercenie, rozwiercanie, pogłębianie, gwintowanie, frezowanie i przeciąganie. Dobór wybranych sposobów obróbki zaprezentowano poniżej. Toczenie to sposób obróbki wiórowej stosowany do obrabiania powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych przedmiotów w kształcie brył obrotowych (walce, stożki, kule), pozwala również na uzyskanie innych kształtów niż obrotowe (eliptyczne, krzywkowe itp.). Toczenie może być dobrane zarówno jako obróbka kształtująca wyrobu, jak i do nadania mu odpowiednich cech powierzchniowych. Na rys. 6.1 (patrz s. 164) przedstawiono toczenie wzdłużne, profilowe i czołowe prowadzone na powierzchniach zewnętrznych i wewnętrznych. Toczenie bardzo dokładne (gładkościowe, diamentowanie) obróbkę prowadzi się z wykorzystaniem narzędzi z ostrzami diamentowymi lub z ostrzami z węglików spiekanych.

8 TECHNIKI I METODY WYTWARZANIA CZĘŚCI MASZYN Rys Przykładowe możliwości obróbki sposobem toczenia [20]: a) toczenie wewnętrzne, b) toczenie zewnętrzne 1 toczenie wzdłużne, 2 profilowe, 3 czołowe Podstawowe parametry są następujące: prędkość (skrawania): m/min stopy lekkie, m/min stal i żeliwo, 1000 m/min i więcej stopy lekkie, posuw 0,005 0,15 mm/obrót. Sposób ten pozwala na osiągnięcie dokładności wykonania w 6 5 klasie oraz chropowatości powierzchni Ra = 0,63 0,32 m, a nawet Ra = 0,16 m bez zgniotu powierzchniowego kryształów metalu. Tokarki do obróbki bardzo dokładnej powinny mieć: dużą sztywność, szczególnie dokładne łożyskowanie, dokładne wyrównoważenie obracających się mas, bezwstrząsowe przekładnie, dobre odizolowanie fundamentów od wstrząsów, duże prędkości obrotowe wrzeciona ( obr/min), małe posuwy (napęd hydrauliczny lub krzywkowy). Wytaczanie może występować jako obróbka zgrubna i wykończeniowa. Wytaczanie zgrubne dobieramy w celu usunięciu materiału i powiększenia lub poprawy jakości istniejącego otworu wykonanego metodą toczenia, odlewania bądź kucia. Wytaczanie zgrubne pozwala na przygotowanie otworu do wykończenia (rys. 6.2). Wytaczanie wykończeniowe ma zapewnić istniejącym otworom wąskie tolerancje wymiaru i położenia oraz niską chropowatość powierzchni. Obróbkę realizuje się z małą głębokością skrawania poniżej 0,5 mm. Obróbka ta pozwala na uzyskanie dokładności odpowiadającej 8 6 klasie i chropowatości Ra = ,32. W przypadku użycia tylko jednego ostrza wytaczadłem do obróbki zgrubnej można wykonać wykończeniowe wytaczanie otworów w klasie dokładności ok Podczas wytaczania otworów o małych średnicach należy zwrócić uwagę, aby kąt przyłożenia płytki uniemożliwiał kontakt pomiędzy narzędziem a ścianką wytaczanego otworu.

9 6.1. DOBÓR TECHNOLOGII OBRÓBKI UBYTKOWEJ 165 Frezowanie to sposób obróbki umożliwiającej wykonanie bardzo szerokiego zakresu operacji; oprócz tradycyjnych zastosowań można w ten sposób wykonywać otwory, gwinty, kieszenie (rys. 6.3). Frezowanie zastępuje obecnie obróbki, które wcześniej wykonywano metodą toczenia, wiercenia lub gwintowania. Wybór metody frezowania w dużej mierze zależy od typu obrabiarki. Frezowanie czołowe/walcowo-czołowe lub frezowanie kieszeni można wykonywać na obrabiarkach 3-osiowych, frezowanie kształtów 3D na frezarkach 4- lub 5-osiowych. Nowoczesne centra tokarskie umożliwiają frezowanie, a na centrach frezarskich można dokonywać toczenia. Rys Wytaczanie zgrubne otworu [20] Rys Przykładowe możliwości obróbki sposobem frezowania [20]

10 TECHNIKI I METODY WYTWARZANIA CZĘŚCI MASZYN Frezowanie bardzo dokładne wykonuje się za pomocą głowic frezowych z ostrzami z węglików spiekanych lub ostrzami diamentowymi, przy odpowiedniej dla danego materiału prędkości skrawania (dla żeliwa do 250 m/min, dla aluminium m/min), a posuw na jedno ostrze wynosi 5 10 mm. Metoda ta pozwala na osiągnięcie dokładności wykonania w 8 7 klasie oraz chropowatości powierzchni Ra = 1,25 0,63 m. Wiercenie to sposób wykonywania otworów w pełnym materiale. Można je wykonywać na wiertarkach, tokarkach i frezarkach. Dobieramy je, gdy zależy nam głównie na dokładności wymiarowo-kształtowej otworu, a w mniejszym stopniu na dokładności powierzchni. Wiercenie można wykorzystać do wykonania otworów przelotowych i nieprzelotowych. Przy użyciu tego sposobu można także wykonywać wiercenia w powierzchniach nieregularnych i pochylonych oraz otworów krzyżujących się i otworów głębokich (stosunek długości do średnicy otworu powyżej 10). Można także stosować wiercenie wtórne tzw. powiercanie oraz wiercenie otworów większych niż średnica wiertła. Do obróbki otworów przelotowych o dużych średnicach można dobrać wiercenie trepanacyjne. W tym sposobie wiercenia materiał nie jest usuwany w formie wiórów, lecz pozostawiany na środku obrobionego otworu w postaci rdzenia. Przykładowe sposoby wiercenia przedstawiono na rys Wybór narzędzia do wiercenia jest uzależniony od typu i wymaganej precyzji wykonania otworu. W obróbce wiertarskiej znaczenie ma wybór odpowiedniej prędkości skrawania, posuwu oraz chłodzenia narzędzia. Należy zadbać o zadowalający przebieg łamania wiórów i usuwanie ich z ostrza bez szkody dla narzędzia i obrabianego przedmiotu. Rozwiercanie to sposób obróbki otworów wykonywany za pomocą rozwiertaków Obróbka ta pozwala na uzyskanie dokładności odpowiadającej 7 6 klasie i chropowatości Ra = 0,63 0,32. Rozwiercać można otwory walcowe i lekko stożkowe Rys Przykładowe możliwości wykonywania otworów [20]: 1) zakres podstawowy, 2) wiercenie stopniowe, 3) głowice do otworów długich, 4) inne sposoby wiercenia (wgłębne, trepanacyjne itp.)

11 6.1. DOBÓR TECHNOLOGII OBRÓBKI UBYTKOWEJ 167 Przeciąganie i przepychanie to sposoby obróbki kształtującej wykonywane za pomocą wieloostrzowego narzędzia o ruchu prostoliniowym przemieszczającego się z prędkością do 18 m/min. Obróbka ta pozwala na uzyskanie dokładności odpowiadającej 10 7 klasie i chropowatości Ra = 1,25 2,5 m. Przy bardzo starannym doborze prędkości ruchu narzędzia i geometrii ostrzy przeciągacza lub przepychacza można uzyskać dokładność odpowiadającą 6 5 klasie oraz chropowatość powierzchni obrobionej o Ra 0,32 m. Gwintowanie to sposób formowania gwintów różnymi metodami. Przy wyborze sposobu wykonywania gwintu należy uwzględnić: typ gwintu, przedmiot obrabiany i parametry obrabiarki. Należy przeanalizować wymiary i wymagania w zakresie jakości gwintu. Do najważniejszych możemy zaliczyć zarys i podziałkę gwintu. W obróbce skrawaniem możemy wykonać gwint sposobem toczenia, frezowania, gwintowania i łuszczenia (rys. 6.5). Toczenie jest najpopularniejszym sposobem wykonywania gwintów. Może być użyte do gwintów zewnętrznych i wewnętrznych. Umożliwia obróbkę gwintów o dowolnej wielkości i zarysie. Frezowanie jest mniej rozpowszechnionym sposobem wykonywania gwintów. Ma zastosowanie w przypadku wykonywania gwintu w przedmiotach niesymetrycznych, o cienkich ściankach, przy problemach z łamaniem i odprowadzeniem wiórów, ryzyku złamania gwintownika itp. Metoda frezowania gwintów wymaga zastosowania obrabiarki z możliwością zaprogramowania jednoczesnego ruchu narzędzia w osiach X, Y i Z. Gwintowanie to prosty, znany i wydajny sposób wykonywania szczególnie małych gwintów. Sposobem gwintowania mogą być wykonywane najpopularniejsze zarysy gwintów na dowolnych modelach obrabiarek, przy obrotowym i nieobrotowym ruchu narzędzia. Łuszczenie gwintu stosowane jest przy obróbce długich, smukłych przedmiotów, gdy wymagana jest wysoka jakość gwintu, wykonania gwintu w jednym przejściu. Sposób ten zapewnia dobre usuwanie wiórów. Rys Przykładowe możliwości wykonania gwintu [20]: 1) sposobem toczenia, 2) sposobem frezowania, 3) sposobem gwintowania, 4) sposobem łuszczenia Wiórkowanie zaliczamy do sposobu obróbki powierzchniowej ze względu na możliwą do uzyskania dużą gładkość powierzchni i wysoką jakość warstwy powierzchniowej. Wiórkowanie jest dobierane do obróbki walcowych kół zębatych miękkich (HRC = 36). Inne sposoby obróbki wiórowej (struganie, dłutowanie) mają obecnie mniejsze znaczenie technologiczne.

12 TECHNIKI I METODY WYTWARZANIA CZĘŚCI MASZYN Dobór technologii obróbki ściernej Do obróbki ściernej możemy zaliczyć szlifowanie oraz sposoby obróbki gładkościowej. Obróbka ścierna powierzchniowa jest najczęściej stosowana do nadania odpowiedniego stanu powierzchni i właściwości przedmiotu obrabianego. W organizacji procesów produkcji części maszyn technolog może dobrać szereg różnych sposobów obróbki, do których możemy zaliczyć: szlifowanie (przy użyciu ściernic, segmentów ściernych, taśm ściernych itp.) oraz gładkościową obróbkę ścierną (gładzenie, dogładzanie, docieranie, polerowanie, obróbkę magnetościerną, ultradźwiękowo-ścierną, strumieniowo-ścierną itp.). Istotną cechą obróbki ściernej powierzchniowej jest stosowanie takich parametrów obróbki, które nie dopuszczą do powstawania skutków cieplnych w materiale obrabianego elementu. Zdejmowane naddatki są niewielkie, nieprzekraczające grubości warstwy wierzchniej z poprzedniej obróbki. Szlifowanie jest obróbką wykończeniową dobieraną po kształtującej obróbce wiórowej oraz po ulepszającej obróbce cieplnej. Istnieje wiele sposobów szlifowania, w zależności od stosowanych narzędzi i warunków obróbki (rys. 6.6). Rys Przykładowe sposoby szlifowania [11]: a) wzdłużne przy użyciu ściernicy, b) bezkłowe przy użyciu dwóch tarcz, c) otworu przy użyciu ściernicy, d) powierzchni walcowej przy użyciu taśmy ściernej, e), f ) powierzchni płaskiej obwodem ściernicy

13 6.1. DOBÓR TECHNOLOGII OBRÓBKI UBYTKOWEJ 169 Naddatki obróbkowe są niewielkie, rzędu kilku dziesiątych milimetra. Z zasady obróbkę ścierną stosuje się do elementów, których powierzchnia ma twardość powyżej 30HRC. Dobierając warunki szlifowania, trzeba zwrócić uwagę na materiał obrabiany, wydajność procesu i koszty, z zachowaniem wymagań jakościowych dokładności i stanu powierzchni przedmiotu obrabianego. Dobrze szlifowalne są stale o strukturze martenzytycznej, nieco gorzej o strukturze perlitycznej. Źle szlifuje się materiały miękkie stale o strukturze ferrytycznej i austenitycznej oraz materiały kolorowe (praktycznie rzadko poddaje się szlifowaniu). Obróbka ta pozwala na uzyskanie dokładności odpowiadającej 4 7 klasie i chropowatości do ok. 0,1 m. Niekorzystnymi cechami obrobionej powierzchni są: nieregularny profil chropowatości i obniżona nośność. Stan powierzchni można poprawić, stosując wyiskrzanie. Sposób ten można dobrać do obróbki powierzchni płaskich, walcowych, a także powierzchni złożonych (koła zębate, gwinty). Gwinty szlifuje się znacznie trudniej niż inne rodzaje powierzchni. Występuje tutaj tzw. szlifowanie kształtowe ze względu na ostry zarys powierzchni, przy czym ważny jest właściwy dobór ściernicy. Szlifowanie z wykorzystaniem taśm stosuje się w obróbce wykończeniowej części o prostych powierzchniach obrotowych (np. wałków) i części o dużych złożonych powierzchniach, których szlifowanie tarczami nastręcza trudności lub praktycznie jest niemożliwe np. łopatki turbin. Charakterystyczne cechy obróbek gładkościowych przedstawiono w tabeli 6.1. Tabela 6.1. Charakterystyczne cechy obróbek gładkościowych Cecha Gładzenie Dogładzanie oscyjacyjne Dogładzenie folią ścierną Docieranie Polerowanie Usuwany naddatek [ m] Chropowatość powierzchni R a [ m] Udział nośny powierzchniowy [%] ,02 0,04 0,01 0,04 0,02 0,01 0,05 0, Wydajność procesu ok. 0,0035 mm 3 / (mm 2 min) od 0,5 do 2 um/h Docieranie oscylacyjne jest przeprowadzane z wykorzystaniem drobnoziarnistych osełek (rys. 6.7 patrz s. 170). Minimalny nacisk osełki na powierzchnię wynosi 0,05 0,26 MPa. Obróbka prowadzona jest w strumieniu chłodziwa. Po osiągnięciu żądanej chropowatości powierzchni (Ra = 0,01 m) następuje samoczynne zatrzymanie procesu poprzez utworzenie się na powierzchni obrabianej klina chłodziwa, który przerywa obróbkę. Podczas docierania zdejmowana jest warstwa o grubości 1,5 8 m, a uzyskiwana chropowatość Ra = 0,16 0,01 m. Sposób ten można stosować do obróbki powierzchni zewnętrznych różnych rodzajów, kształtów i wymiarów, elementy do układów hydraulicznych, pneumatycznych, silników spalinowych (np. czopów wałów), narzędzi i przyrządów pomiarowych. Docieranie proszkiem jest obróbką ścierną, w której rolę narzędzia spełnia luźny proszek ścierny zawarty w mieszaninach (różnego rodzaju płynach i pastach) nakładanych na powierzchniach docieraków (rys. 6.8 patrz s. 170). Proces docierania jest procesem najstarszym wśród sposobów obróbki ściernej powierzchniowej i jest stosowany do uzyskania zmniejszenia chropowatości, lecz również do poprawiania kształtu i wymiaru.

14 TECHNIKI I METODY WYTWARZANIA CZĘŚCI MASZYN Rys Schemat operacji dogładzania oscylacyjnego [9] Rys Schemat operacji docierania proszkiem [11] Po zakończeniu procesu docierania proszkiem ściernym uzyskuje się 5 klasę dokładności wykonania, a chropowatość powierzchni w granicach Ra = 0,16 0,04 m. Grubość zdejmowanej warstwy materiału obrabianego wynosi g = 0,005 0,15 mm. Gładzenie (honowanie) to obróbka gładkościowa otworów przelotowych i nieprzelotowych prowadzona w celu poprawienia dokładności geometrycznej i zapewnienia żądanego stanu powierzchni otworu i stanu warstwy wierzchniej. Prowadzona jest z wykorzystaniem drobnoziarnistych osełek. Powierzchnia po honowaniu wykończeniowym posiada duże fragmenty o bardzo małej chropowatości powierzchni (tzw. plateau decyduje o nośności powierzchni) i rzadko położone głębsze mikronierówności (tzw. kieszenie smarowe). Obróbkę dobiera się najczęściej do wykończenia gładzi tulei cylindrów silników spalinowych i otworów w urządzeniach hydraulicznych, które mogą być po wytaczaniu, rozwiercaniu lub szlifowaniu, przy naddatkach obróbkowych wynoszących od 0,02 do 0,2 mm. Charakterystykę operacji gładzenia przedstawiono na rys O dokładności obróbki decyduje dobór takich czynników jak: materiał obrabiany, prędkość osiowa i obwodowa głowicy, nacisk jednostkowy osełek na powierzchnię obrabianą, ciecz obróbkowa oraz materiał osełek głowicy (rodzaj, numer ziarna, spoiwo, twardość itp.). Polerowanie, skrobanie, bębnowanie i obróbka strumieniowo-ścierna mają znaczenie pomocnicze w procesach obróbki ściernej. Operacje te ze względu na brak możliwości uzyskania wymaganych dokładności geometrycznych kwalifikuje się raczej do obróbki powierzchni swobodnych.

15 6.1. DOBÓR TECHNOLOGII OBRÓBKI UBYTKOWEJ 171 a) d) Udział nośny powierzchni zdolność do przenoszenia obciążeń b) Honowanie normalne c) Rys Charakterystyka operacji gładzenia: a) tor ruchu narzędzia i ślady obróbki, b) głowica obróbcza, c) geometria powierzchni po obróbce, d) charakterystyczne cechy stanu powierzchni Dobór technologii obróbki ubytkowej Dobór technologii obróbki ubytkowej wymaga od organizującego (planującego) proces technologiczny: znajomości rodzajów, metod i sposobów obróbki, doboru parametrów obróbki i możliwych do uzyskania parametrów stanu powierzchni i klasy dokładności obróbek przy zastosowaniu danej metody i sposobu obróbki, znajomości zasad doboru i właściwości materiału przeznaczonego do obróbki, a także zachowania się materiału w trakcie obróbki, znajomości zasad doboru narzędzi i oprawek oraz zasad doboru obrabiarek,

16 TECHNIKI I METODY WYTWARZANIA CZĘŚCI MASZYN wiedzy o wpływie parametrów obróbki (prędkości, posuwu, głębokości skrawania) na trwałość narzędzia i stan warstwy powierzchniowej przedmiotu po obróbce, dokładności nastawienia obrabiarki położenia narzędzia w stosunku do bazy obrabianego przedmiotu, doświadczenia i umiejętności wykonującego, znajomości zasad doboru wyposażenia produkcyjnego i materiałów pomocniczych, bezpieczeństwa eksploatacji urządzeń oraz wydajności procesu, oceny czasu realizacji procesu i kosztów jednostkowych wykonania wyrobu. Dokonując doboru sposobu obróbki należy rozważyć korzyści zastąpienia obróbki skrawaniem (ściernej) obróbką plastyczną. Sposoby obróbki dobiera się tak, aby wymagane dokładności uzyskiwać w ramach dokładności ekonomicznych, stosując odpowiednio ekonomiczne procesy obróbcze. Na rys przedstawiono zależność kosztu obróbki od dokładności wykonania dla różnych rodzajów obróbki. Rys Zależność kosztu obróbki od dokładności wykonania dla różnych rodzajów obróbki: I obróbka zgrubna, II obróbka kształtująca, III obróbka dokładana (wykańczająca) A zwiększając koszt obróbki uzyskuje się niewielki wzrost dokładności; B proporcjonalny koszt ze wzrostem dokładności obróbki; C nieznaczna zmiana kosztu powoduje znaczną zmianę dokładności. Dokładność odpowiadająca odcinkowi B krzywej jest dokładnością ekonomiczną (proporcjonalny wzrost dokładności w stosunku do kosztów obróbki) PYTANIA I POLECENIA 1. Wymień podstawowe sposoby obróbki skrawaniem. 2. Podaj, jakie wymagania stawia się przy doborze sposobów obróbki skrawaniem. 3. Wymień podstawowe sposoby obróbki ściernej. 4. Podaj, jakie wymagania stawia się przy doborze sposobów obróbki ściernej. 5. Podaj ogólne wymagania dotyczące doboru technologii obróbki ubytkowej.

17 6.2. DOBÓR TECHNOLOGII OBRÓBKI CIEPLNEJ I CIEPLNO-CHEMICZNEJ Dobór technologii obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej W TYM ROZDZIALE DOWIESZ SIĘ: na czym polega obróbka cieplna części maszyn, jakie stosuje się w niej metody i sposoby oraz jakie są zasady jej doboru na czym polega obróbka cieplno-chemiczna części maszyn, jakie stosuje się w niej metody i sposoby oraz jakie są zasady jej doboru Obróbka cieplna Struktura materiałów, w szczególności metalicznych, wywiera znaczny wpływ na ich właściwości. Stosując procesy technologiczne zmieniające strukturę materiału, można w pewnych granicach celowo kształtować jego właściwości. Najpopularniejszym sposobem kształtowania własności stopów metali jest obróbka cieplna. Obróbka cieplna to zabiegi technologiczne umożliwiające w wyniku grzania i chłodzenia zmianę mikrostruktury, a przez to własności stopów (w pewnych przypadkach również metali): mechanicznych, fizycznych, technologicznych oraz chemicznych. Są to oczywiście korzystne zamierzone cechy materiału w efekcie końcowym wyrobu. Podczas obróbki cieplnej występują także efekty niekorzystne, niezamierzone, takie jak zmiany na powierzchni obrabianych materiałów wynikające z procesu utleniania oraz naprężenia cieplne i strukturalne. Naprężenia cieplne powstają w wyniku różnic temperatury w obrabianym materiale podczas nagrzewania oraz chłodzenia. Naprężenia strukturalne są wynikiem zmian strukturalnych polegających na tworzeniu nowych faz międzymetalicznych, które mają inną budowę niż materiał rodzimy. Efekty te mogą powodować deformację elementów obrabianych czy też być przyczyną powstania mikropęknięć, co w efekcie może dyskwalifikować wyrób. Dlatego też specjaliści od obróbki cieplnej powinni posiadać szeroką wiedzę metaloznawczą oraz doświadczenie zawodowe. Obróbka cieplna ma duże znaczenie ekonomiczne, często umożliwia stosowanie tańszych materiałów bez wpływu na jakość wyrobu. Podstawowe zabiegi obróbki cieplnej to: nagrzewanie, wygrzewanie i chłodzenie. Przedstawiono je na rys (patrz: s. 174). Wśród sposobów obróbki cieplnej możemy wyróżnić: wyżarzanie; hartowanie, odpuszczanie, ulepszanie cieplne (hartowanie i odpuszczanie); przesycanie, starzenie (utwardzanie wydzieleniowe) i wymrażanie (obróbka cieplna podzerowa). Wyżarzanie operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury (temperatura jest głównym parametrem warunkującym uzyskanie określonej struktury), wygrzaniu w tej temperaturze i schłodzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi. Może być ono przeprowadzane z różnych powodów: w celu zmiękczenia metalu co ułatwia obróbkę skrawaniem, usunięcia naprężeń wewnętrznych wprowadzonych przez wcześniejsze procesy (intensywna obróbka mechaniczna), zmiany wielkości ziarna, wprowadzenia do roztworu pierwiastków stopowych itp. Korzyści

18 TECHNIKI I METODY WYTWARZANIA CZĘŚCI MASZYN związane z prowadzeniem obróbki zależą od żądanych własności i obejmują np. ułatwienie obróbki skrawaniem, zachowanie stabilności wymiarowej, polepszenie własności mechanicznych itp. Zaleca się je głównie do polepszenia własności półproduktów, np. odkuwek, blach i drutów przerobionych na zimno, odlewów itd. Szeroki zakres procesów wyżarzania można stosować do prawie wszystkich metali. W zależności od potrzeb możemy dobrać wyżarzanie: ujednorodniające, odprężające, normalizujące, zmiękczające i inne. Na rysunku 6.12 przedstawiono zakresy temperatur wybranych rodzajów wyżarzania. Rys Podstawowe etapy obróbki cieplnej: a) bez obróbki podzerowej, b) z obróbką podzerową Rys Zakresy temperatur wybranych rodzajów wyżarzania: 1) ujednorodniające, 2) przegrzewanie, 3) normalizujące, 4) wyżarzanie zupełne, 5) zmiękczające, 6) rekrystalizujące, 7) odprężające, 8) stabilizujące

19 6.2. DOBÓR TECHNOLOGII OBRÓBKI CIEPLNEJ I CIEPLNO-CHEMICZNEJ 175 Wyżarzanie ujednorodniające. Polega na nagrzaniu stali do temperatury C (ok C niższej linii temperatury solidusu) wygrzaniu w tym zakresie temperatury i następnie schłodzeniu. Głównym celem tej obróbki jest uzyskanie struktury austenitycznej, ograniczenie niejednorodności składu chemicznego materiału. Obróbkę tę stosuje się przed obróbką wiórową. Wyżarzanie odprężające. Polega na nagrzaniu stali do temperatury poniżej A 1 wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Celem tej obróbki jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbką plastyczną. Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest dość szeroki. Temperatura nagrzewania wynosi od 300 do 650 C. Odlewy staliwne nagrzewa się do ok. 650 C. Czas wygrzewania wynosi około jednej do dwóch godzin. Temperatura usuwania naprężeń z części miedzianych wynosi, w zależności od stopu, C, zaś dla elementów mosiężnych C. Po wygrzaniu elementy należy powoli chłodzić w piecu lub na powietrzu. Szybkość chłodzenia ma duże znaczenie dla uniknięcia naprężeń powodowanych dużym gradientem temperatur w materiale (powierzchnia rdzeń). Jest to szczególnie ważne podczas usuwania naprężeń z większych elementów (duże przekroje, znaczne wybrania materiału). Obróbkę tę stosuje się przed obróbką wiórową elementów żeliwnych i spawanych lub po prostowaniu elementów. Usuwanie naprężeń zazwyczaj przeprowadza się po zgrubnej obróbce skrawaniem, ale przed ostatecznym wykończeniem, takim jak polerowanie lub szlifowanie. Odprężanie może być z powodzeniem wykorzystywane do odlewów staliwnych czy elementów spawanych. Części mające niewielkie tolerancje wymiarowe, które będą podlegały dalszej obróbce, na przykład za pomocą węgloazotowania gazowego, muszą mieć usunięte naprężenia, proces należy przeprowadzić w temperaturze powyżej 600 C. W razie potrzeby usuwanie naprężeń można przeprowadzić w piecu z gazem ochronnym, aby zapobiec utlenieniu powierzchni. Można także użyć pieców próżniowych. Wyżarzanie odprężające (stabilizujące). Obróbka skrawaniem, cięcie oraz deformacja plastyczna powodują powstawanie w materiale znacznych naprężeń. Naprężenia te mogą powodować niepożądane zmiany wymiarów elementów, jeśli zostaną uwolnione bez kontroli, na przykład podczas późniejszej obróbki cieplnej. W celu minimalizacji ryzyka zmian wymiarów można te naprężenia usunąć na drodze wyżarzania odprężającego. Polega ono na nagrzaniu stali do temperatury 150 C. Głównym celem tego zabiegu jest zapewnienie niezmienności wymiarowej wyrobu oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Odprężanie samorzutne tzw. sezonowanie zachodzi w temperaturze pokojowej w czasie kilku lub kilkunastu miesięcy, a niekiedy nawet kilku lat. Wyżarzanie normalizujące. Polega na nagrzaniu stali do temperatury o C wyższej od linii A 3, A cm (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Celem tej obróbki jest uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej oraz polepszenie własności mechanicznych stali. W niektórych przypadkach zarówno nagrzewanie, jak i chłodzenie odbywa się w atmosferze gazu ochronnego w celu uniknięcia utlenienia i odwęglenia. Prawidłowo wykonana normalizacja pozwala uzyskać drobne ziarna, równomierne rozłożenie składników strukturalnych, zwiększenie wytrzymałości i plastyczności, polepszenie obrabialności, zmniejszenie naprężeń własnych i przygotowanie elementu do dalszych operacji obróbki cieplnej. Obróbkę stosuje się dla elementów wykonanych ze stali niestopowej konstrukcyjnej i staliwa, w celu normalizacji struktury po kuciu, walcowaniu na gorąco lub odlewaniu. Twardość uzyskiwana po normalizacji zależy od zastosowanej szybkości chłodzenia (około HB). Obróbkę tę stosuje się po obróbce kształtującej.

20 TECHNIKI I METODY WYTWARZANIA CZĘŚCI MASZYN Wyżarzanie zupełne. Stosowane dla stali stopowych, polega na nagrzaniu stali o C wyższej od linii A 3, A cm (linia GSE) wygrzaniu w tej temperaturze i bardzo wolnym chłodzeniu np. z piecem, w zakresie temperatury między A 3, A cm a A 1, A 1,3 dalsze chłodzenie odbywa się w powietrzu. Obróbkę tę stosuje się po obróbce kształtującej. Wyżarzanie izotermiczne. Jest odmianą wyżarzania zupełnego polega na nagrzaniu stali o C powyżej linii A 1 wygrzaniu w tej temperaturze i szybkim ochłodzeniu do temperatury niższej od A 1 wytrzymaniu izotermicznym w tej temperaturze do zakończenia przemiany perlitycznej i dalszym chłodzeniu w powietrzu. Wyżarzanie izotermiczne stosuje się jako obróbkę cieplną stali stopowych, które po wyżarzaniu zupełnym wykazują zbyt dużą twardość. Odmianą wyżarzania izotermicznego jest patentowanie drutów lub taśm. Wyżarzanie zmiękczające (sferoidyzacja). Przeprowadza się w temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Zwykle najpierw wygrzewa się w temperaturze około 15 C powyżej linii PSK (wykresu żelazo-węgiel), następnie 15 C poniżej tej temperatury, po czym następuje powolne chłodzenie. Taki zabieg powoduje przemianę cementytu płytkowego w postać kulkową (sferoidalną), co podwyższa obrabialność stopu metodą skrawania. Takiemu wyżarzaniu poddaje się wyroby wykonane ze stali, staliwa i żeliwa. Proces wyżarzania poprawia zdolność stali do odkształceń plastycznych na zimno i umożliwia znaczne deformacje występujące w procesie ciągnienia na zimno lub głębokiego tłoczenia. Sferoidalna struktura stali węglowych (< 0,4% C) nie zawsze nadaje się do pewnych operacji obróbki skrawaniem, ponieważ materiał jest za miękki i może przywierać do narzędzi. Wyżarzanie zmiękczające można przeprowadzić dla stali oraz dla stopów miedzi i mosiądzu. W wypadku stopów miedzi lub mosiądzu temperatura wyżarzania zmiękczającego mieści się w przedziale od 300 C do 650 C dla stopów miedzi oraz od 425 C do 650 C dla stopów mosiądzu. Twardość materiałów poddawanych wyżarzaniu zmiękczającemu wynosi dla: stali HB, stopów miedzi HV, stopów mosiądzu HV. Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja). Przeprowadza się w zakresie temperatury pomiędzy C. Rekrystalizacji towarzyszy zazwyczaj zmniejszenie wytrzymałości i twardości materiału przy jednoczesnym zwiększeniu plastyczności. Proces dobiera się dla wyrobów, które były wcześniej obrabiane plastycznie na zimno i utraciły plastyczność, oraz w celu kontroli wielkości ziarna w strukturze produktu końcowego i usunięcia niekorzystnego wpływu zgniotu. W wypadku części wykonanych z walcowanej na zimno blachy ze stali węglowej wyżarzanie pozwala uzyskać w całości lub w części zrekrystalizowane mikrostruktury dzięki wystąpieniu zjawiska zdrowienia i następnie rekrystalizacji. Powoduje wzrost równoosiowych ziaren ferrytu kosztem ziaren odkształconych, zmniejszenie wytrzymałości i twardości oraz zwiększenie plastyczności. Dla części tłoczonych ze stali walcowanej na zimno ma na celu wytworzenie zrekrystalizowanej mikrostruktury ferrytu, która po walcowaniu ma znacznie wydłużone i naprężone ziarna, co pozwala na dalszą przeróbkę plastyczną materiału na zimno. Wyżarzanie części kutych jest przeprowadzane w celu ułatwienia kolejnych operacji, np. obróbki skrawaniem lub formowania na zimno. Wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja). Stosuje się w stosunku do żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit. Zamiast wyżarzania odprężającego można stosować odprężanie wibracyjne, które polega na przyspieszonym stabilizowaniu (sezonowaniu) elementów maszyn i konstrukcji przez poddanie ich drganiom, głównie rezonansowym. W wyniku oddziaływania drgań rezonansowych w całej objętości obrabianego elementu zachodzi zmniejszenie naprężeń resztkowych powstałych np. po spawaniu, odlewaniu lub obróbce termicznej. Naprężenia

21 6.2. DOBÓR TECHNOLOGII OBRÓBKI CIEPLNEJ I CIEPLNO-CHEMICZNEJ 177 te redukowane są do poziomu, który nie wywołuje już niekorzystnych zmian w elementach, takich jak utrata kształtu, wymiarów czy powstania pęknięć. Odprężanie wibracyjne posiada wiele zalet w stosunku do wyżarzania odprężającego m.in.: krótki czas zabiegu ograniczony do kilkudziesięciu minut zamiast kilkudziesięciu godzin; możliwość stosowania na dowolnym etapie procesu technologicznego, np. tuż przed obróbką wykańczającą lub po wstępnej obróbce mechanicznej; możliwość stosowania mniejszych naddatków technologicznych; możliwość połączenia obróbki zgrubnej i półwykańczającej; dużą przydatność przy stabilizacji wymiarowej elementów regenerowanych, np. przy napawaniu; brak zmiany własności mechanicznych metali; zróżnicowana masa wyrobów od pojedynczych kilogramów do kilkuset ton; niższy koszt o ok % itp. Nie zaleca się stosować odprężania wibracyjnego do usuwania naprężeń powstałych w wyniku odkształceń na zimno i dla wyrobów przeznaczonych do stosowania w konstrukcjach pracujących w środowisku korozyjnym. Hartowanie polega na nagrzewaniu elementu do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (dla stali węglowej zwykle od 30 C do 50 C powyżej temperatury przemiany), wytrzymaniu w tej temperaturze oraz szybkim schłodzeniu elementu. Czas wygrzewania musi być dostatecznie długi, by cementyt rozpuścił się w żelazie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem. Hartowanie ma na celu podwyższenie twardości i wytrzymałości stali. Hartowanie może dotyczyć całej objętości materiału wyrobu (tzw. hartowanie na wskroś) lub tylko warstwy powierzchniowej. Warunkiem niezbędnym procesu hartowania jest odpowiednia zawartość węgla w stali powyżej 0,3%. Hartowanie prowadzi się po obróbce kształtującej. Hartowanie objętościowe polega na nagrzaniu elementu na wskroś i może być realizowane z różnymi prędkościami studzenia. Hartowanie powierzchniowe nagrzewanie cienkiej warstwy powierzchniowej. Nie wywołuje dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest utwardzenie warstwy powierzchniowej wyrobu do głębokości ok. 4 mm i zachowaniu miękkiego rdzenia. Wyróżnia się następujące sposoby hartowania powierzchniowego: indukcyjne, płomieniowe, laserowe (bezprzetopieniowe, przetopieniowe), kąpielowe itp. Celem hartowania jest uzyskanie struktury martenzytycznej o dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie. Hartowanie powoduje jednak znaczną kruchość materiału i powstanie w nim naprężeń własnych (hartowniczych). Nadmierną kruchość oraz naprężenia własne usuwa się, stosując po hartowaniu odpuszczanie. Zakresy temperatur hartowania przedstawiono na rys (patrz: s. 178), natomiast na rys (patrz: s. 178) schemat nagrzewania indukcyjnego wałka. W stopach poddanych hartowaniu w zależności od temperatury przemiany możemy wyróżnić różne składniki strukturalne, np. bainit, troostyt, martenzyt oraz austenit szczątkowy. Bainit jest produktem przemiany bainitycznej, składnikiem strukturalnym, o zróżnicowanej morfologicznie strukturze w zależności od temperatury przemiany. Stanowi mieszaninę ferrytu i węglików, z tym że powyżej 300 C składa się z igieł niskowęglowego ferrytu rozdzielonych wydzieleniami cementytu i przesyconego węglem austenitu (struktura

22 TECHNIKI I METODY WYTWARZANIA CZĘŚCI MASZYN Rys Zakresy temperatur hartowania Rys Schemat nagrzewania indukcyjnego wałka we wzbudniku jednozwojowym 1 wzbudnik, 2 nagrzewany wałek

23 6.2. DOBÓR TECHNOLOGII OBRÓBKI CIEPLNEJ I CIEPLNO-CHEMICZNEJ 179 zwana bainitem górnym, który ma wygląd pierzasty), natomiast poniżej 300 C powstaje bainit dolny składający się z igieł ferrytu przesyconego węglem (o tej samej zawartości węgla co austenit wyjściowy), przy czym nadmiar węgla zostaje usunięty w wyniku powstawania drobnych wydzieleń cementytu bądź węglika (Fe 2, 4 C) wewnątrz igieł ferrytu. Ma on wygląd iglasty podobny do martenzytu i mniejszą od niego twardość. Przemiana bainityczna ma charakter dyfuzyjny, przebiega w zakresie temperatur poniżej 500 C, przy dużej sile napędowej przemiany i małym współczynniku dyfuzji. Twardość i wytrzymałość bainitu są pośrednie między własnościami perlitu i martenzytu i rosną w miarę obniżania temperatury przemiany. Troostyt jest strukturą tworzącą się z austenitu (bardzo drobny perlit) przy jego maksymalnej szybkości przemiany. Często błędnie jest utożsamiany z bainitem górnym. Używane jest także określenie troostyt iglasty, który poprawnie należy nazywać bainitem dolnym. Martenzyt w stalach węglowych jest definiowany jako przesycony roztwór stały węgla w żelazie, który jest produktem przemiany martenzytycznej przebiegającej bezdyfuzyjnie. Cechuje się dużą twardością i małą ciągliwością. Twardość martenzytu rośnie ze wzrostem zawartości węgla. Przemiana martenzytyczna może zachodzić także w metalach, które mają odmiany alotropowe lub ich stopach. Austenit szczątkowy austenit przechłodzony to produkt, który podczas przemiany martenzytycznej lub bainitycznej nie uległ przemianie w martenzyt lub bainit. Jest fazą metastabilną. Ilość austenitu szczątkowego zależy od zawartości węgla, pierwiastków stopowych i temperatury austenityzowania. W celu zmniejszenia zawartości austenitu szczątkowego w stali stosuje się dalsze obniżanie temperatury do M f (obróbka cieplna podzerowa). Austenit szczątkowy obniża twardość zahartowanej stali, ponieważ jest bardziej miękki niż martenzyt. Nie jest jednoznacznie szkodliwy, gdyż zwiększa odporność na ścieranie i powierzchniową wytrzymałość zmęczeniową oraz zmniejsza skłonność stali do kruchego pękania. Wadą jest zwiększenie skłonności do pęknięć szlifierskich (przy większej jego zawartości) oraz powoduje niestabilność wymiarową wyrobów (np. sprawdzianów) i obniżenie ich odporności korozyjnej. Zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej nazywamy hartownością, z którą wiążą się następujące cechy: głębokość hartowania; maksymalna twardość uzyskiwana na powierzchni; skłonność do tworzenia rys i pęknięć. Dodatki pierwiastków stopowych mogą obniżać lub podwyższać hartowność. Hartowność znacznie zwiększają: mangan, molibden i chrom, w niewielkim stopniu: krzem i nikiel, natomiast zmniejszają ją kobalt oraz pierwiastki silnie węglikotwórcze. Na rysunku 6.15 (patrz s. 180) przedstawiono różne rodzaje hartowania: zwykłe, stopniowe i z przemiana izotermiczną. Hartowanie zwykłe. Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do temperatury z zakresu austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej (a także solnej, zawiesinie polimerowej, powietrzu lub azocie, wodorze lub helu pod wysokim ciśnieniem z wymuszonym obiegiem), poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne niż w oleju. Ten sposób obróbki jest zalecany dla części ze stali nierdzewnej wymagających dużej odporności na korozję, matryc, narzędzi do pracy na zimno i gorąco, sprężyn dowolnego rodzaju, znacznie obciążonych części, takich jak wały napędowe, pręty nośne, ramy, widły wózków widłowych, nakrętki i śruby, uszy do podnoszenia itd.

24 TECHNIKI I METODY WYTWARZANIA CZĘŚCI MASZYN Rys Rodzaje hartowania: a) zwykłe, b) stopniowe, c) z przemianą izotermiczną Hartowanie stopniowe. Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkim schłodzeniu w specjalnej kąpieli chłodzącej, do temperatury nieco powyżej temperatury przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, by nastąpiło wyrównanie temperatur w całym przekroju przedmiotu. W drugiej fazie, już w kąpieli wodnej lub olejowej, następuje dalsze schładzanie w celu uzyskania przemiany martenzytycznej. Taki sposób obróbki minimalizuje naprężenia i odkształcenia, zapewniając uzyskanie własności mechanicznych (twardość, wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na kruche pękanie itd.) odpowiadających uzyskiwanym za pomocą konwencjonalnego hartowania, ale z wyraźnym ograniczeniem ryzyka wystąpienia pęknięć hartowniczych. Proces umożliwia obróbkę cieplną części o skomplikowanej geometrii i kształcie zbliżonym do zamierzonego, minimalizując obróbkę wykańczającą skrawania/szlifowania wyrobów po obróbce cieplnej (możliwość pozostawiania niewielkich naddatków materiału lub ich brak). Wymaga jednak dużej wprawy przy określaniu czasu kąpieli pośredniej. Hartowanie izotermiczne. Jest hartowaniem, w którym zachodzi przemiana bainityczna. Nagrzany przedmiot utrzymuje się w kąpieli izotermocznej, w temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej. Nazwa metody pochodzi od faktu, iż kąpiel zachowuje stałą temperaturę. W hartowaniu tego typu nie powstaje martenzyt, lecz następuje rozpad austenitu na inne fazy, np. drobny perlit lub bainit, dając stali własności podobne jak po hartowaniu z odpuszczaniem. Zaletą metody jest brak naprężeń hartowniczych, uzyskujemy po nim wysoką plastyczność, ciągliwość, udarność i wytrzymałość przy zadanej twardości. Jest to jednak proces długotrwały, niekiedy przeciągającym się do kilku godzin. Zakres zastosowań hartowania izotermicznego obejmuje ogólnie części wytwarzane z blachy lub taśmy o małym przekroju. Hartowanie izotermiczne jest stosowane zwłaszcza do cienkich części ze stali węglowej wymagających wyjątkowej ciągliwości. Hartowanie izotermiczne jest najskuteczniejsze dla stopów żelaza o średniej lub dużej zawartości węgla i odlewów z żeliwa sferoidalnego, takich jak SAE 1045 do 1095, 4130, 4140, 5160, 6150 (C45 do C100, 25CrMo4, 42CrMo4, 50CrV4), i przy wymaganej twardości w zakresie HRC. Hartowanie indukcyjne. Jest to proces służący do utwardzania powierzchni elementów ze stali i innych stopów, wykorzystujący zjawiska grzania prądem elektrycznym indukowanym w obrabianym wyrobie przez zmienne pole magnetyczne. Współczesne urządzenia pozwalają na chłodzenie nagrzanego elementu bezpośrednio w miejscu grzania dzięki natryskowi cieczy doprowadzonemu ze wzbudnika lub doprowadzonemu między zwojami wzbudnika. Proces prowadzi do wzrostu twardości powierzchni, odporności na zużycie

25 6.2. DOBÓR TECHNOLOGII OBRÓBKI CIEPLNEJ I CIEPLNO-CHEMICZNEJ 181 i wytrzymałości zmęczeniowej przy zachowaniu plastyczności rdzenia. Hartowanie indukcyjne jest używane do poprawiania właściwości mechanicznych elementów stalowych. Podstawową zaletą jest poprawa właściwości mechanicznych. Hartowanie indukcyjne to proces o krótkim czasie trwania operacji z możliwością jego zautomatyzowania. Hartowanie indukcyjne minimalizuje zjawisko utlenienia i odwęglenia powierzchni. Generuje niewielkie odkształcenia (zależne od geometrii detalu i sposobu hartowania, np. jednostronnego). Szybkość procesu nie generuje nadmiernego rozrostu ziarna. Typowe zastosowania hartowania indukcyjnego obejmują koła zębate, wały, osie, krzywki, wypraski oraz wrzeciona, czyli w większości części symetryczne. Odpuszczanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temperatury poniżej 723 C, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie powolnym chłodzeniu na powietrzu, w oleju lub wodzie. Stosowane jest do przedmiotów uprzednio zahartowanych w celu usunięcia naprężeń hartowniczych i polepszenia własności plastycznych (ciągliwości). Podczas tego zabiegu zmniejsza się nieco twardość i wytrzymałość na rozciąganie, natomiast wzrasta odporność na uderzenia. W zależności od temperatury odpuszczania rozróżnia się odpuszczanie: niskie, średnie i wysokie. Odpuszczanie niskie odbywa się w temperaturze C. W wyniku odpuszczania niskiego uzyskuje się strukturę martenzytu niskoodpuszczonego, który w stalach węglowych jest mieszaniną martenzytu z dyspersyjnymi wydzieleniami węglików typu oraz austenitu szczątkowego. Głównym celem takiego odpuszczania jest usunięcie naprężeń własnych bez spadku twardości. Odpuszczanie niskie stosuje się do narzędzi, sprawdzianów oraz części nawęglonych oraz hartowanych powierzchniowo, wykonanych ze stali węglowych i niskostopowych, które powinna cechować wysoka twardość i odporność na ścieranie. Odpuszczanie średnie odbywa się w temperaturze C. Strukturą stali średnioodpuszczonej jest martenzyt średnioodpuszczony, który w stalach węglowych jest mieszaniną martenzytu oraz dyspersyjnych wydzieleń cementytu i austenitu szczątkowego. Po średnim odpuszczaniu otrzymuje się strukturę odpuszczonego martenzytu o twardości ok. 450 HB. W tym zakresie występuje kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju (nieodwracalna), która objawia się spadkiem udarności przy odpuszczaniu stali węglowych lub stopowych w temperaturze ok. 300 o C. Jest stosowane w celu nadania obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości przy równoczesnym polepszeniu ich własności plastycznych. Ten sposób obróbki jest zalecany dla wielu części samochodowych oraz matryc, sprężyn, resorów i innych części mechanizmów, których praca ma charakter uderzeniowy. Odpuszczanie wysokie przebiega w temperaturze C. W tym zakresie temperatury odpuszczanie prowadzi do rozkładu austenitu szczątkowego. Powstaje struktura złożona z ferrytu i bardzo drobnych kulistych wydzieleń cementytu zwanych sorbitem. Udział austenitu szczątkowego jest niewielki. Celem takiego odpuszczania jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości i sprężystości materiału z jednoczesnym zachowaniem znacznej twardości i dostatecznej odporności na uderzenia. Własności wytrzymałościowe wyraźnie maleją, a plastyczne wzrastają. Wiąże się to z istotnymi zmianami strukturalnymi, które zachodzą w tym zakresie temperatur. Wysokie odpuszczanie jest zalecane dla elementów maszyn wykonywanych ze stali konstrukcyjnych węglowych i stopowych oraz narzędzi do pracy na gorąco, gdyż po takiej obróbce uzyskuje się optymalną kombinację własności wytrzymałościowych i plastycznych. Ulepszanie cieplne obejmuje dwa zabiegi hartowanie i odpuszczanie. Jest to obróbka składająca się z hartowania i wysokiego lub średniego odpuszczania w celu uzyskania odpowiednich do potrzeb własności mechanicznych wyrobu. Na ogół części maszyn, silników i wiele innych pracują pod obciążeniem zmiennym (niekiedy